同心微环结构应用于生物传感领域的研究及意义

同心微环结构应用于生物传感领域的研究及意义3.1生物传感器的发展当我们看到某一个东西时，这个东西则先通过视网膜传输到大脑，然后再通过大脑我们进行思考，这时，眼睛就起到一个传感的作用。同样，生物传感器则为一类对生物物质有高灵敏的敏感度并且通过某些手段将探测到的生物信号转换成可用于检测的电信号。在20世纪70年代，美国生物学家SJUppsala Dick等人制出了用酶作为识别元件的葡萄糖生物传感器【9】。随后，90年代，微流控芯片技术在医学方面发挥到很大的作用，直到现在，介于生物技术与信息技术之间的生物传感器的发展在药品分析，临床医学诊断，药物开发，军事医学，生物芯片等领域有着极其重要的发挥前景。生物传感器包括鉴别元件，信号换能器。根据其各种功能可分为多类。例如酶传感器，半导体生物传感器，免疫生物传感器，光学生物传感器等等。本章分析光生物传感器于生物芯片技术方面的研究，因其灵敏度高，工艺简单，适用方便，因此，在相关领域中具有很大的发展前景。特别是同心微环谐振器因其微环带宽窄，品质因数Q很大，谐振波波峰较深，广泛用于生物检测，属于免标记性，成本低且操作简便。3.2生物传感应用3.2.1微环结构在DNA分子检测上的使用 微环谐振器的生物传感是光输入微环中，由于外界因素使环周围物质其有效折射率发生变化，在输出频谱上的谱线会发生偏移，进而分析传输光性质，便可以得到被探测物的相关信息，不需要标记，方法简单，定义灵敏度为 (3.1) 为传输光谱中谐振波的偏移量，neff为折射率的变化，同心环结构其谐振峰更深，输出谱线偏移量更大，灵敏度更高。下文主要分析微环结构在DNA分子检测上的应用。 单链DNA分子可以通过杂交配对成为DNA分子双螺旋形式，单链DNA序列其折射率为1.456，与其互补成的双链DNA（折射率为1.53），根据下面的公式： (3.2) 知凡是能引起折射率变化的外界影响都会引起谐振波发生漂移产生，因此，只要测出此漂移量的大小，就可以得到灵敏度，实现DNA分子检测。 运用仿真软件，通过改变有效折射率便可以得到两个输出谱线。在此，我们用双环做以分析，令外环的半径为500nm，直波导与外环间距100nm，两环之间的间隙为300nm，直波导宽度5um，便可得到下图【10】： 图3.1 检测之前图3.2 检测之后 由图可以看出双环结构的频谱其谐振波峰尖锐，在检测以后谐振频率变化了大约1.37nm左右。3.2.2单直波导多同心微环结构检测面积大则在微环谐振器上能够与探针分子进行配对的互补序列越多，则对外界变化影响更大，因而折射率变化更明显，谱线偏移量更大，因而引起更大的灵敏度。现在考虑将这种结构运用于大通量的检测过程，为了满足多个分子的同时检测的生物芯片，可以制出单直波导多同心微环结构，做成阵列形式，得到每个部分谱线的叠加，下图为这种结构图：图3.3 带3个微环的结构此结构中的每一个参数设置不同则每一个单元其谐振频率不同。输入光从S1口输入满足X1环的谐振条件时，部分光会发生耦合而进入X1环并不断增强，其余光则不经过X1环直接从S2口输出，经过X2环满足其谐振要求则会发生谐振耦合，不满足要求的光则继续从S3口输出，依次不断发生相同的过程而进行耦合，最终输出光谱为每一个芯片单元输出谱线的叠加。这种阵列结构的设置能够在频谱上一个自由频谱空间内得到多个谐振谱的叠加，下图为这种结构的场分布仿真：图3.4 带3个微环的结构其场分布因而也可制成各种形式的滤波器。3.3 本章总结 生化信息和光信息的结合发展已然成为21世纪的一个重大研究方向，对于生物传感，我们已经知道了多种应用方向，本章主要分析了微环结构在其方面的应用，从最基本的背景到分类方向，以及微环结构相比于其他结构的优点。在DNA分子探测方面是如何进行模拟应用，双环结构所表现出比单环更具谐振波波峰深，3dB带宽窄，灵敏度高，在探测过程中，能够配对更多的DNA分子序列，最后